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切削过程有限元仿真研究进展

2020-09-18 14:35:33

目前,切削加工依然是金属材料成形的重要工艺之一。零件的表面质量与工艺系统、加工参数、刀具参数(几何结构、涂层材料等)和冷却润滑条件密切相关。如何在切削过程中获得满足兼顾加工质量与生产成本的工艺条件,一直是制造业和学术界关注的重要问题。传统的试验研究需要占用大量的时间,消耗过多的人力、物力和财力,给企业造成很大的负担;并且,试验研究结果缺乏普适性和实时性。

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近些年,得益于高性能计算机和软件技术的发展,有限元仿真技术在切削领域得到了广泛的应用,为研究切屑形成机理,预测切削温度、切削力和残余应力以及加工表面显微组织演变等提供了支持。目前,用于切削仿真的主流有限元软件包括Abaqus/Explicit、Deform、AdvantEdge、Ansys/LS-DYNA 和 Marc 等。以材料本构模型为基础,通过构建切削仿真模型,可以准确地对切削过程中应力、应变、应变率、切削力和切削温度等物理量进行定量分析,进而为研究刀具磨损、加工表面完整性和工艺优化提供了参考数据。切削过程中,切削变形区的材料在热 – 力耦合载荷作用下会发生显微组织的演变(塑性变形、晶粒细化、位错增值、相变等)和物理力学性能(硬度、屈服强度等)的改变,对零件毛坯已经具有的特定组织和性能产生不利影响,最终影响零件的使用寿命。目前,试验观测是分析显微组织的主要手段,其缺点是需要制备金相试样,破坏已加工零件,并且周期长,更为重要的是无法对显微组织演变进行实时观测。借助有限元软件预留的二次开发接口,可以将基于微观组织演变的模型以用户自定义子程序的形式嵌入到有限元软件中,对切削过程中微观组织进行动态模拟和定量预测。有限元仿真技术在切削加工领域的广泛使用,为实现“形性协同制造”提供了理论和技术支持。

材料的本构模型是构建有限元模型的前提条件,本构关系的精确与否直接关系到有限元仿真结果的准确性。利用有限元法对切削过程进行仿真,旨在最大程度接近真实切削条件并对结果进行预测,从而为提高加工质量和效率,降低加工成本和时间提供理论和技术支持。因此,选择或建立符合材料自身属性的本构关系方程对切削仿真至关重要。目前应用较为广泛的材料本构模型主要有以下几种:Johnson–Cook(J–C)及修正J–C 本构模型、Zerilli–Armstrong(ZA)模 型、Maewaka 模 型、Nemat–Nasser 细观模型、Power– Law 模型等。其中,J–C 本构模型是切削仿真中应用最为广泛的材料模型,J–C 本构方程的参数通常是借助霍普金森压杆(Split HopkinsonPress Bar,SHPB)试验,对不同温度和不同应变率条件下获得的数据进行拟合计算得到。真模型,并有效地整合到工艺规划与优化过程中,可以减少或避免重复性的试验工作,实现提高生产效率和控制产品质量的目的。目前,构建的切削仿真模型多以正交二维车削为研究对象。

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1 网格划分方法

目前,有限元模型网格划分技术主要分为以下几种:修正拉格朗日(Updated Lagrangian)算法、欧拉(Eulerian)算法、自适应拉格朗日 – 欧拉(Arbitrary–Lagrangian–Eulerian,ALE)算 法和欧拉– 拉 格 朗 日(Coupled–Eulerian–Lagrangian,CEL)综合法。拉格朗日法是观察粗变形的优先选择,对于切削过程中主要剪切区产生的大变形,运用拉格朗日法会影响仿真结果。欧拉算法虽然能够解决切削过程yaboApp官方网站料产生的大变形,但是边界条件需要提前设定。自适应拉格朗日 – 欧拉算法和欧拉 – 拉格朗日综合法则可以避免大变形引起的网格畸变报错问题,同时还可满足边界条件要求,通常用在稳态切削过程中。

2 分离准则

在切削仿真过程中,如何尽可能贴近实际切削过程描述切屑与工件基体的分离,会直接影响仿真结果的准确性。分离原则选取的不当,可能会引起仿真过程不收敛甚至报错。用来描述切屑与工件基体分离的准则主要分为两种:第 1 种是几何准则,通过判断切削路径上刀尖点与位于刀尖前单元节点之间的距离是否达到设定的临界失效值。一旦该距离达到预先设定的临界失效值,此节点就会断裂分离成两个节点,一个跟随形成的切屑继续流动,另一个节点则保留在加工表面,如图2 所示;第 2 种是物理准则,以等效塑性应变、断裂应力、应变能密度等物理变量作为实现切屑与工件基体分离的标准。同样的,当刀尖点处的物理变量达到设定的临界值时,单元节点发生分离,即生成切屑。

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